某型機結冰探測系統(tǒng)使用維護實踐

摘 要： 某型機是國內(nèi)自主研發(fā)的一款新型飛機，擁有開闊的玻璃化座艙、先進的航電系統(tǒng)，同時安裝有國內(nèi)自主研發(fā)的國際上比較先進的結冰探測系統(tǒng)。從結冰探測系統(tǒng)的組成與功用、工作原理、使用維護實踐進行了闡述，并提出了相關意見和建議。

關鍵詞： 溫度傳感器； 結冰速率傳感器； 融冰傳感器； 結冰速率解算器； 融冰解算器

中圖分類號： TN911.7?34； V267+.31 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）15?0105?03

Maintenance practice of icing detection system for an aircraft

DU Guang?ming1， WANG Shu?wei2

（1. Flight Test Center of AVIC GA Huanan Aircraft Industry Co.， Ltd.， Zhuhai 519040， China； 2. Air Defense Forces Academy， Zhengzhou 450052， China）

Abstract： An aircraft is a new type one， which was independently developped in China. It has open vitrification cockpit and advanced avionic systems， and installed an international level icing detection system which was independently developped in China. The composition， working principle and maintenance practice of the new icing detection system are elaborated， and some relevant suggestions are given.

Keywords： temperature sensor； icing speed sensor； thawing ice sensor； icing rate solver； thawing ice solver

0 引 言

飛機在結冰氣象條件下飛行時，可發(fā)生飛機結冰現(xiàn)象。飛機結冰是指飛機機體表面某些部分聚集冰層的現(xiàn)象，它主要由云中過冷水滴或降雨中的過冷雨碰到飛機機體后凝固形成的，也可由水汽直接在機體表面凝華而成。只要有適當?shù)目諝鉂穸龋? ℃時就會產(chǎn)生結冰現(xiàn)象[1]。機翼前緣結冰，破壞了飛機的氣動外形，使飛機的阻力增大，升力減小，飛機的操縱性、穩(wěn)定性下降；在旋翼和螺旋槳槳葉上結冰，破壞了槳葉表面的光滑，結冰一開始，就出現(xiàn)了附層面的紊流化，極大地增加了翼型阻力，使拉力特性變壞，效率降低，會造成飛機和動力裝置的振動；發(fā)動機進氣道結冰，可能會使發(fā)動機進氣量減小而造成發(fā)動機停車；風擋結冰，降低了風擋的透明度，妨礙目視飛行；天線結冰，可能發(fā)生機械折斷，影響通信或造成通信中斷，這些因素均可能造成意外事故[2]。飛機結冰引起的主要損失是航空器損壞、人員傷亡和飛機飛離結冰大氣層所消耗的燃油費。據(jù)美國國家交通安全部估算，在1982年至2000年間，美國約有819人死于與飛機結冰相關的事件[3]。某型機上安裝的國內(nèi)自主研發(fā)的國際上比較先進的結冰探測系統(tǒng)，具備完善的上電自檢測功能和故障定位功能，具有飛機結冰后燈光告警提示、結冰強度和結冰位置顯示功能。為了詳細地說明該結冰探測系統(tǒng)，下面就從系統(tǒng)的組成及功用、系統(tǒng)的工作原理及使用維護實踐依次進行闡述，并提出了相關意見和建議。

1 結冰探測系統(tǒng)的組成及功用

結冰探測系統(tǒng)由1個溫度傳感器、1個結冰速率傳感器、4個融冰傳感器、1個結冰速率解算器、1個融冰效果解算器和1個飛機結冰告警燈（紅）組成，系統(tǒng)的自檢測結果、結冰強度及結冰位置通過機上的發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)上的相關畫面顯示。溫度傳感器的主要功用是探測飛機外部的環(huán)境溫度，給結冰探測系統(tǒng)輸入溫度信號，當溫度低于5 ℃時系統(tǒng)介入工作，當溫度高于5 ℃時結冰探測系統(tǒng)停止工作[4]。結冰速率傳感器的主要功用是在結冰探測系統(tǒng)工作的狀態(tài)下，根據(jù)結冰速率傳感器上的結冰情況及冰層厚度向結冰速率解算器輸出信號，結冰速率解算器對輸入的信號進行分析、處理，輸出飛機結冰的告警信號及弱/中/強的結冰強度信號。融冰傳感器的主要功用是在結冰探測系統(tǒng)工作的狀態(tài)下，根據(jù)融冰傳感器上結冰的情況向融冰效果解算器輸出有無結冰的信號，由融冰解算器經(jīng)結冰速率解算器通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送至發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)，最終在其上的相關畫面顯示。

2 結冰探測系統(tǒng)的的工作原理

結冰探測系統(tǒng)的工作原理方框圖如圖1所示。

圖1 結冰探測系統(tǒng)工作原理方框圖

在結冰探測系統(tǒng)電源接通之后，系統(tǒng)進行自檢測，自檢測結果在發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)的相關畫面上進行顯示，顯示畫面如圖2所示。白底黑字為自檢測正常，白底紅字為自檢測故障。自檢測結束且自檢測結果均正常后，結冰探測系統(tǒng)進入到待命狀態(tài)。

圖2 結冰探測系統(tǒng)自檢測畫面

2.1 溫度傳感器的工作原理

溫度傳感器的核心部分是一個熱敏電阻——鉑，不同的溫度對應不同的電阻阻值，輸出的是電阻信號[5]。

2.2 結冰速率傳感器的工作原理

結冰速率傳感器是一種平膜式結冰傳感器[6]，具有弱、中、強三級結冰強度報警信號的輸出功能，報警閾值設定點和閾值點增量均可由人工設定或系統(tǒng)軟件設定。該傳感器基于固體的諧振頻率隨著質(zhì)量和剛度的變化而改變這個原理，使用一個在諧振頻率振動的膜片測量結冰。傳感器膜片上冰的沉積引起膜片剛度和質(zhì)量的改變，剛度的增加使膜片諧振頻率增加，質(zhì)量增加影響與其相反。由于結冰造成的剛度增加影響比質(zhì)量增加影響大，故使得振動膜片的諧振頻率增加，而當水或其他液體附著在膜片上時，使質(zhì)量增加但不增加剛度，諧振頻率降低。因此，通過監(jiān)測振動膜片的諧振頻率的改變，可以判斷是否有冰結成及冰厚的大小，輸出的是頻率信號。

2.3 融冰傳感器的工作原理

融冰傳感器是一種平膜式結冰傳感器[6]，具有是否結冰告警信號的輸出功能。該傳感器基于固體的諧振頻率隨著質(zhì)量和剛度的變化而改變這個原理，使用一個在諧振頻率振動的膜片測量結冰。傳感器膜片上冰的沉積引起膜片剛度和質(zhì)量的改變，剛度的增加使膜片諧振頻率增加，質(zhì)量增加影響與其相反。由于結冰造成的剛度增加影響比質(zhì)量增加影響大，故使得振動膜片的諧振頻率增加，而當水或其他液體附著在膜片上時，使質(zhì)量增加但不增加剛度，諧振頻率降低。因此，通過監(jiān)測振動膜片的諧振頻率的改變，可以判斷是否有冰結成，輸出的是頻率信號。

2.4 融冰效果解算器的工作原理

對1號至4號融冰傳感器輸出的頻率信號進行分析與處理[7]，當頻率信號達到融冰解算器設定的結冰報警閾值時，輸出對應的融冰傳感器結冰的信號，并將結果經(jīng)由結冰速率結算器輸出至發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)并通過其上的相關畫面進行顯示，如圖3所示。

圖3 結冰強度顯示畫面

2.5 結冰速率解算器的工作原理

對溫度傳感器輸出的電阻信號進行分析與處理，當溫度低于5 ℃時發(fā)出結冰探測系統(tǒng)介入工作的指令，當溫度高于5 ℃時發(fā)出結冰探測系統(tǒng)停止工作的指令。

對結冰速率傳感器輸出的頻率信號進行分析與處理[7]，輸出二路信號[8]：

（1）當頻率信號達到結冰速率解算器設定的弱/中/強結冰強度報警閾值時，輸出一路對應的弱/中/強結冰強度信號，并將結果輸出至發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)并由通過其上的相關畫面進行顯示，如圖3所示。

（2）當結冰速率解算器輸出一種對應的弱/中/強結冰強度信號時，輸出另一路信號用來點亮飛機結冰告警燈（紅）。

2.6 結冰探測系統(tǒng)的工作原理

在結冰探測系統(tǒng)接通電源、自檢測結束且自檢測結果均正常后，結冰探測系統(tǒng)進入到待命狀態(tài)。溫度傳感器將溫度信號（假設溫度低于5 ℃）輸出至結冰速率解算器進行分析與處理，結冰速率解算器發(fā)出結冰探測系統(tǒng)工作的指令，結冰探測系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。結冰速率傳感器將結冰速率信號（假設“強”結冰）輸出至結冰速率解算器進行分析與處理，結冰速率解算器將“強”結冰的信號通過數(shù)據(jù)總線輸出至發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)，點亮發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)上的相關畫面（見圖3）“強”字。同時，結冰速率解算器輸出信號將飛機結冰告警燈（紅）點亮，提醒飛行人員注意。飛行人員看到飛機結冰的告警信號后按操作程序接通相關除冰設備進行除冰，在除冰過程中融冰效果解算器對1號至4號融冰傳感器輸入的信號進行分析與處理，當頻率信號在融冰解算器設定的結冰報警閾值時，輸出對應融冰傳感器位置結冰的信號，并將結果通過數(shù)據(jù)總線傳輸至結冰速率解算器，由結冰速率解算器通過數(shù)據(jù)總線輸出至發(fā)動機指示與空勤告警系統(tǒng)上的相關畫面（見圖3）進行顯示。

3 結冰探測系統(tǒng)的使用維護實踐

結冰探測系統(tǒng)完善的上電自檢測功能和故障定位功能，先進的飛機結冰后燈光告警提示、結冰強度和結冰位置顯示功能，在裝機后多年的使用維護過程中發(fā)現(xiàn)了諸多優(yōu)點，但同時也存在部分缺點。

3.1 結冰探測系統(tǒng)的優(yōu)點

3.1.1 故障定位準確，維護工作量低、效率高

在某次飛行前準備的過程中，機務人員按照結冰探測系統(tǒng)的正常操作程序進行檢查，結果自檢測畫面中“3號融冰傳感器”呈現(xiàn)白底紅字的故障現(xiàn)象。隨后，將結冰探測系統(tǒng)進行了多次下電后重新接通，上述故障仍然存在。因為1號至4號融冰傳感器分別安裝在飛機左、右機翼和右、左平尾的前緣，更換時必須拆下對應位置的前緣，工作量非常大。為了慎重起見，采用了參照融冰傳感器資料對比測量3號和4號融冰傳感器對應管腳間電阻值的方法，結果發(fā)現(xiàn)3號融冰傳感器有2個管腳間的電阻值大大偏離了資料上規(guī)定的數(shù)值且與4號融冰傳感器對應管腳間的電阻值相差甚遠。經(jīng)過系統(tǒng)自檢測和電阻值測量，最終判定3號融冰傳感器故障，更換后系統(tǒng)上電自檢測結果正常，飛行過程工作正常。

這個實例足以說明：結冰探測系統(tǒng)先進的系統(tǒng)自檢測及故障定位功能[9]，在飛機的使用維護過程中大大降低了維護人員的工作量，為排故人員指明了故障點，使維護人員少走彎路，提高了工作效率。

3.1.2 操作檢查程序簡單，檢查結果直觀、方便

結冰探測系統(tǒng)的操作檢查程序非常簡單：

（1）給系統(tǒng)提供+28 V DC和115 V/400 Hz AC電源；

（2）接通系統(tǒng)的電源開關；

（3）在發(fā)動機指示和空勤告警系統(tǒng)相關顯示畫面上查看系統(tǒng)自檢測結果。

與該型機的原型機上安裝的電導法結冰傳感器的結冰探測系統(tǒng)相比，減少了需在發(fā)動機試車的狀態(tài)下，用導電的水和干冰人為制造結冰結果的操作程序，降低了操作風險，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

3.1.3 告警方式醒目，燈光和文字相得益彰，便于飛行人員掌握實際結冰位置

參照結冰探測系統(tǒng)的工作原理：當飛機結冰時既有飛機結冰示燈（紅）燃亮的燈光提示，又有發(fā)動機指示和空勤告警系統(tǒng)顯示畫面上結冰強度的文字提示，融冰傳感器還能夠指出具體結冰的位置[9]，便于飛行人員掌握飛機的結冰強度及實際結冰位置。與該型機的原型機上安裝的電導法結冰傳感器的結冰探測系統(tǒng)相比，彌補了在飛機結冰后只有飛機結冰示燈（紅）燃亮的燈光提示而無法知道結冰強度及實際結冰位置的不足。

3.2 結冰探測系統(tǒng)的缺點

3.2.1 地面無法模擬飛機結冰后系統(tǒng)的工作情況

系統(tǒng)在地面進行維護檢查時僅能查看到系統(tǒng)的自檢測結果，不能像該型機的原型機上安裝的電導法結冰傳感器的結冰探測系統(tǒng)那樣可以人工模擬飛機結冰后系統(tǒng)的工作情況[10]。參照結冰探測系統(tǒng)的工作原理：結冰速率傳感器和融冰傳感器輸出的是頻率信號，5個傳感器的安裝位置非常高且間距甚遠，不可能在5個傳感器上均進行人工模擬結冰現(xiàn)象，從而也無法模擬飛機結冰后系統(tǒng)的工作情況。此外，系統(tǒng)的自檢測結果與飛機結冰后系統(tǒng)的工作情況仍存在一定的差異。

3.2.2 存在自檢測定位不準、虛警的情況

參照結冰探測系統(tǒng)的工作原理：結冰速率傳感器和融冰解算器輸出的是頻率信號，溫度傳感器輸出的是電阻信號。頻率信號在傳輸過程中尤其是在飛機這樣的電磁環(huán)境極為復雜的系統(tǒng)中的傳輸過程中極易受到外界電磁環(huán)境的干擾，極易產(chǎn)生虛警信號[4]。在該型機某架飛機的試飛過程中，當時的天空根本不具備結冰的條件，但系統(tǒng)連續(xù)3天多次出現(xiàn)了“強”結冰的虛警信號。為了排除此虛警，維護人員在地面多次對系統(tǒng)進行了通電檢查，均未出現(xiàn)自檢測故障的現(xiàn)象。參照結冰探測系統(tǒng)的工作原理：“強”結冰信號是由結冰速率傳感器輸出的信號經(jīng)結冰速率解算器分析和處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸出至發(fā)動機指示和空勤告警系統(tǒng)并由其相關畫面顯示出來的。于是采用了參照結冰速率傳感器資料，與另外2個新出廠的結冰速率傳感器對比測量對應管腳電阻值的方法，最終斷定原裝機的結冰速率傳感器故障，更換后進行系統(tǒng)通電檢查和飛行驗證均工作正常，虛警消失。

3.2.3 系統(tǒng)的安裝和電纜的長度有嚴格的要求，不同機種的互換性差

參照系統(tǒng)的工作原理：結冰速率傳感器和融冰解算器輸出的是頻率信號，這種信號在傳輸過程中極易受到干擾和衰減，因此系統(tǒng)對傳輸電纜的長度有嚴格的要求，這就造成了不同機種的互換性差的結果，不利于該型結冰探測系統(tǒng)的推廣和使用。

4 意見和建議

參照結冰探測系統(tǒng)的工作原理，結合結冰探測系統(tǒng)在使用維護實踐中發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點和不足，提出以下幾點意見和建議：提高系統(tǒng)在不同機型間的互換性，推廣系統(tǒng)的應用范圍；提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的虛警率；研制出性能可靠的具有結冰仿真功能的配套的地面試驗設備。

參考文獻

[1] 易賢.飛機積冰的數(shù)值計算與積冰試驗相似準則研究[D].綿陽：中國空氣動力研究與發(fā)展中心，2007.

[2] 鄭連興，任仁良.渦輪發(fā)動機飛機結構與系統(tǒng)（AV）（下冊）[M]：北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

[3] 戴艷萍.飛機結冰預警系統(tǒng)問世[EB/OL].[2006?12?14].http：//www.cma.gov.cn/kppd/kppdkjzg/201212/t20121215_197054. html.

[4] 裘燮綱.飛機防冰系統(tǒng)[M].南京：南京航空航天大學出版社，1996.

[5] 劉迎春.傳感器原理設計與應用[M].長沙：國防科技大學出版社，2004.

[6] 張杰，周磊，張洪，等.飛機結冰探測技術[J].儀器儀表學報，2006，27（12）：1578?1586.

[7] 張濱華，王華，王勁松，等.一種基于振動原理的結冰探測方法[J].儀器儀表學報，2003（4）：142?145.

[8]胡斌.電子線路學習方法（七）：第三講電感電路分析方法（上）[J].電子世界，2010（3）：33?34.

[9]李東澤，于登云，馬興瑞.結構優(yōu)化建模方法研究進展[J].航天器工程，2009（4）：156?158.

[10]孔滿昭，蒲宏斌.翼型結冰過程數(shù)值模擬驗算與分析[J].航空工程進展，2011（3）：45?47.